⚛️ general relativity

Improving constraints on the Yukawa correction at the Galactic Center with multiple stellar orbits

गैलेक्टिक सेंटर के सुपरमैसिव ब्लैक होल की परिक्रमा करने वाले कई तारों (S2, S55, S29, S38, और S301) के एस्ट्रोमेट्रिक और स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा का विश्लेषण करके, यह अध्ययन न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण के युकावा-जैसे सुधार (Yukawa-like correction) पर बाधाओं (constraints) में महत्वपूर्ण सुधार करता है, जो पिछले एकल-तारा विश्लेषणों की तुलना में कपलिंग स्ट्रेंथ पर पांच गुना अधिक कड़ा बंधन प्राप्त करता है और लघु एवं दीर्घ दोनों दूरी के पैमानों पर अब तक की सबसे सख्त सीमाएं स्थापित करता है।

मूल लेखक: GRAVITY+ Collaboration, :, A. Foschi, K. Abd El Dayem, N. Aimar, A. Berdeu, J. -P. Berger, G. Bourdarot, W. Brandner, Y. Cao, C. Correia, S. Cueves Cardona, R. Davies, D. Defrère, F. Delplancke-Ströb

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: GRAVITY+ Collaboration, :, A. Foschi, K. Abd El Dayem, N. Aimar, A. Berdeu, J. -P. Berger, G. Bourdarot, W. Brandner, Y. Cao, C. Correia, S. Cueves Cardona, R. Davies, D. Defrère, F. Delplancke-Ströbele, A. Drescher, F. Eisenhauer, L. Esteras~Otal, M. Fabricius, H. Feuchtgruber, S. Flesch, N. M. Förster Schreiber, Q. Fournier, P. Garcia, R. Garcia Lopez, R. Genzel, S. Gillessen, F. Gonté, X. Haubois, S. F. Hönig, M. Houllé, S. Joharle, J. Kammerer, A. Kaufer, P. Kervella, L. Kreidberg, L. Labadie, S. Lacour, O. Lai, R. Laugier, J. -B. Le Bouquin, J. Leftley, R. Li, B. Lopez, D. Lutz, F. Mang, A. Mérand, F. Millour, M. Montargès, N. Morujão, H. Nowacki, M. Nowak, J. Osorno, T. Ott, S. Pappert, C. Paladini, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, R. Petrov, N. Pourré, S. Rabien, D. C. Ribeiro, S. Robbe-Dubois, M. Sadun Bordoni, J. Sanchez-Bermudez, J. Sauter, J. Scigliuto, J. Shangguan, T. T. Shimizu, F. Soulez, S. Spezzano, C. Straubmeier, E. Sturm, M. Subroweit, C. Sykes, L. J. Tacconi, P. Thévenet, I. Urso, F. H. Vincent, J. Woillez, G. Zins

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो हमारी दुनिया को एक साथ थामे रखता है, वह अदृश्य हाथ जो ग्रहों को उनके पथ पर बनाए रखता है और पेड़ों से सेबों को नीचे गिराता है। एक सदी से अधिक समय से, इस बल का हमारा सबसे सटीक विवरण अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) का सिद्धांत रहा है, एक ऐसा ढांचा जिसने हर उस परीक्षण को सफलतापूर्वक पार किया है जो हमने इस पर लागू किया है, चाहे वह प्रकाश के तारों के झुकने से लेकर टकराते ब्लैक होल्स के कारण उत्पन्न स्पेसटाइम की लहरें ही क्यों न हों। फिर भी, अपनी सफलता के बावजूद, यह सिद्धांत कुछ ब्रह्मांडीय रहस्यों को अनसुलझा छोड़ देता है, जैसे कि डार्क मैटर की प्रकृति और ब्रह्मांड के विस्तार का अजीब त्वरण। इन कमियों के कारण, वैज्ञानिक लंबे समय से यह सोचते आए हैं कि क्या गुरुत्वाकर्षण अत्यधिक वातावरण या बहुत विशिष्ट दूरियों पर थोड़ा अलग व्यवहार करता है। एक लोकप्रिय विचार सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण में एक छोटा, अतिरिक्त "धक्का" या "खिंचाव" हो सकता है जो दूरी के साथ तेजी से कम हो जाता है, जिसे 'यौकावा करेक्शन' (युकवा सुधार) के रूप में जाना जाता है। यदि ऐसा बल मौजूद है, तो यह प्रकृति का पांचवां बल होगा, जो हमारे ज्ञात चार बलों से अलग है, और इसे खोजना भौतिकी के नियमों को फिर से लिख देगा।

इस मायावी बल की खोज के लिए, खगोलविदों ने अपनी सबसे शक्तिशाली आंखों को हमारी अपनी आकाशगंगा, मिल्की वे के केंद्र की ओर मोड़ दिया है। वहां, धूल के बादलों के पीछे छिपा हुआ, एक सुपरमैसिव ब्लैक होल है, जो गुरुत्वाकर्षण का एक ऐसा दानव है जो इतना सघन है कि प्रकाश भी उससे बच नहीं सकता। इस ब्लैक होल की कक्षा में कई तारे घूम रहे हैं, जो अविश्वसनीय गति से ऐसे पथों पर चल रहे हैं जो उन्हें इवेंट होराइजन के खतरनाक करीब ले आते हैं। इन तारों की गति को देखकर, वैज्ञानिक गुरुत्वाकर्षण की शक्ति को एक ऐसे क्षेत्र में माप सकते हैं जो हमारे सौर मंडल में पाए जाने वाले किसी भी क्षेत्र की तुलना में कहीं अधिक तीव्र है। यदि वह अतिरिक्त "पांचवां बल" मौजूद है, तो वह इन तारों को उनके अपेक्षित पथों से विचलित कर देगा, जिससे उनकी गति में एक सूक्ष्म छाप छोड़ी जाएगी जिसे हमारे वर्तमान सिद्धांत स्पष्ट नहीं कर सकते।

GRAVITY+ सहयोग द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस खोज को सटीकता के एक नए स्तर पर पहुँचा दिया है। केवल एक तारे की गति पर निर्भर रहने के बजाय, जैसा कि पिछले अध्ययनों में किया गया था, टीम ने हमारे ब्लैक होल की कक्षा में घूमने वाले पांच अलग-अलग तारों के डेटा को संयोजित किया। उन्होंने चिली में 'वेरी लार्ज टेलिस्कोप' पर कई उन्नत उपकरणों द्वारा 1992 से 2025 तक तीन दशकों से अधिक समय में एकत्र किए गए अवलोकनों के एक विशाल संग्रह का उपयोग किया। इस डेटासेट में प्रसिद्ध तारा S2 शामिल है, जिसे वर्षों से ट्रैक किया गया है, लेकिन महत्वपूर्ण रूप से, इसमें चार अन्य तारों सहित डेटा शामिल है, जिसमें हाल ही में खोजा गया तारा S301 भी है। यह नया तारा विशेष रूप से मूल्यवान है क्योंकि यह S2 की तुलना में ब्लैक होल के बहुत करीब तक जाता है, जिससे टीम को उन दूरियों पर गुरुत्वाकर्षण का परीक्षण करने की अनुमति मिलती है जिन्हें पहले टटोलना असंभव था।

शोधकर्ताओं ने इन पांच तारों की कक्षाओं का अनुकरण करने के लिए एक जटिल कंप्यूटर मॉडल बनाया, जिसमें गुरुत्वाकर्षण के ज्ञात नियमों के साथ-साथ संभावित अतिरिक्त बल को भी ध्यान में रखा गया। फिर उन्होंने अपने सिमुलेशन की तुलना वास्तविक अवलोकनों से की ताकि यह देखा जा सके कि क्या तारे ठीक वैसे ही चलते हैं जैसा अनुमान लगाया गया था या क्या वे किसी अन्य चीज़ के खिंचाव के संकेत दिखाते हैं। परिणाम सटीकता की एक विजय थे। टीम को इस अतिरिक्त बल का कोई प्रमाण नहीं मिला। वास्तव में, सभी पांच तारों के डेटा को संयोजित करके, वे पहले की तुलना में बहुत अधिक निश्चितता के साथ इस पांचवें बल के अस्तित्व को खारिज करने में सक्षम रहे। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ऐसा बल मौजूद है, तो इसकी शक्ति अविश्वसनीय रूप से कमजोर होनी चाहिए, जो कि तारों की कक्षाओं को किसी भी ध्यान देने योग्य तरीके से प्रभावित करने की सीमा से बहुत नीचे है।

इस अध्ययन की शक्ति उपयोग किए गए तारों की विविधता में निहित है। जबकि अकेले तारा S2 के डेटा ने एक विशिष्ट दूरी पर बल की एक बहुत ही कड़ी सीमा प्रदान की, अन्य तारों को जोड़ने से वैज्ञानिकों को दूरियों की एक बहुत व्यापक श्रेणी का परीक्षण करने की अनुमति मिली। तारा S29, जो बहुत बड़ी कक्षा पर यात्रा करता है, ने इस बात पर सख्त सीमाएं निर्धारित करने में मदद की कि बड़े दूरियों पर बल कैसे व्यवहार कर सकता है। इसके विपरीत, हाल ही में खोजा गया S301, जिसकी कक्षा बहुत छोटी और पास की है, ने टीम को बहुत कम रेंज पर बल का परीक्षण करने की अनुमति दी, जो एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ पिछले अध्ययन नहीं देख सके थे। टीम ने पाया कि लगभग 100 खगोलीय इकाई (AU) की दूरी पर, किसी भी ऐसे अतिरिक्त बल की शक्ति सामान्य गुरुत्वाकर्षण की शक्ति के छह दस-हजारवें हिस्से से कम होनी चाहिए। और भी कम दूरियों पर, सीमाएं और भी सख्त हो गईं।

यह कार्य गैलेक्टिक सेंटर के आसपास अब तक किया गया गुरुत्वाकर्षण का सबसे कठोर परीक्षण है। इस संभावित पांचवें बल पर प्रतिबंध लगाकर, यह अध्ययन प्रभावी रूप से उन सिद्धांतों की एक विस्तृत श्रेणी के दरवाजे बंद कर देता है जो भविष्यवाणी करते हैं कि ऐसा बल गैलेक्टिक सेंटर में पता लगाने योग्य रूप से मजबूत होगा। हालांकि आइंस्टीन के सिद्धांत से विचलन की खोज जारी है, यह नया विश्लेषण पुष्टि करता है कि, कम से कम मिल्की वे के केंद्रीय ब्लैक होल के हिंसक पड़ोस में, गुरुत्वाकर्षण बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा सामान्य सापेक्षता भविष्यवाणी करती है। तारे ज्ञात नियमों की धुन पर नाचते हैं, और फिलहाल, संगीत अपरिवर्तित है।

तकनीकी सारांश: कई तारकीय कक्षाओं के माध्यम से गैलेक्टिक सेंटर पर युकावा सुधार (Yukawa correction) पर बाधाओं में सुधार

समस्या और प्रेरणा
यद्यपि सामान्य सापेक्षता (General Relativity - GR) सौर मंडल के पैमानों पर और गुरुत्वाकर्षण तरंग अवलोकनों के माध्यम से एक प्रमाणित सिद्धांत बनी हुई है, फिर भी कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट समस्या, डार्क मैटर और क्वांटम पूर्णता के अभाव जैसे सैद्धांतिक दोष उन विचलनों की खोज को प्रेरित करते हैं। विचलनों का एक विशिष्ट वर्ग न्यूटोनियन विभव (Newtonian potential) में युकावा-समान सुधार से संबंधित है, जो एक अंतःक्रिया शक्ति $\alpha$ और एक पैमाना लंबाई $\lambda$ द्वारा अभिलक्षित है। यह सुधार एक्सटेंडेड थ्योरीज ऑफ ग्रेविटी (ETGs) और हल्के मध्यस्थों (light mediators) वाले डार्क मैटर मॉडलों के कमजोर-क्षेत्र सीमा (weak-field limit) में स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होता है।

जबकि सौर मंडल परीक्षण $\alpha$ पर कड़े प्रतिबंध प्रदान करते हैं, कई सिद्धांत ऐसे स्क्रीनिंग तंत्र (screening mechanisms) का आह्वान करते हैं जो सौर मंडल जैसे कम-वक्रता (low-curvature) वाले वातावरण में इन प्रभावों को दबा देते हैं। फलस्वरूप, गैलेक्टिक सेंटर (GC), जो सुपरमैसिव ब्लैक होल (SMBH) SgrA* द्वारा नियंत्रित है, इन सुधारों की जांच करने के लिए एक विशिष्ट उच्च-वक्रता वातावरण प्रदान करता है। पिछले कार्य (पेपर I) ने केवल तारे S2 की कक्षा का उपयोग करके बाधाएं स्थापित की थीं, लेकिन युकावा पद के प्रति एक तारे की संवेदनशीलता उसकी कक्षीय त्रिज्याओं द्वारा सीमित होती है: यदि $\lambda$ पेरीसेंटर (pericenter) की तुलना में बहुत छोटा है, तो बल तेजी से क्षीण (exponentially suppressed) हो जाता है; यदि $\lambda$ अपोसेंटर (apocenter) की तुलना में बहुत बड़ा है, तो प्रभाव केंद्रीय द्रव्यमान के पुन: स्केलिंग के साथ विजातीय (degenerate) हो जाता है।

कार्यप्रणाली
लेखक पांच तारों: S2, S55, S29, S38, और नवनिर्मित S301 के एस्ट्रोमेट्रिक और स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा को संयोजित करने वाले एक बहु-तारा विश्लेषण प्रस्तुत करते हैं। डेटासेट 1992 से 2025 तक फैला हुआ है और इसमें VLT उपकरणों जैसे NACO, SINFONI, GRAVITY, ERIS, और उन्नत GRAVITY+ का उपयोग किया गया है।

डेटा संरचना:
- S2: 129 NACO और 82 GRAVITY एस्ट्रोमेट्रिक बिंदु; 92 SINFONI और 2 ERIS रेडियल वेलोसिटी (RV) बिंदु (1992–2022)।
- S29, S38, S55: संयुक्त NACO और GRAVITY एस्ट्रोमेट्री के साथ SINFONI/ERIS/GNIRS RV डेटा (2002–2022)।
- S301: 19 वास्तविक GRAVITY+ एस्ट्रोमेट्रिक बिंदु (2023.3–2025.4)। कक्षा को पूरी तरह से बाधित करने के लिए, विशेष रूप से पेरिएस्ट्रांPassage (periastron passage) को, लेखकों ने 32 अतिरिक्त बिंदुओं का एक मॉक डेटासेट तैयार किया (2017.4–2023.3 और 2025.9–2030 को कवर करते हुए) जिसमें अनिश्चितताएं औसतन $\sigma \approx 50$ mas हैं। S301 के लिए कोई RV माप उपलब्ध नहीं थे।
मॉडल: गुरुत्वाकर्षण विभव को $U = -GM/r (1 + |\alpha|e^{-r/\lambda})$ के रूप में मॉडल किया गया है। विश्लेषण में प्रथम-क्रम पोस्ट-न्यूटोनियन (1PN) श्वार्ज़चाइल्ड प्रीसेशन के साथ युकावा सुधार को शामिल किया गया है। समीकरणों के गति (equations of motion) को OOGRE (Osculating Orbits in General Relativistic Environments) कोड का उपयोग करके एकीकृत किया गया है, जो रॉमर डिले (Rømer delay), सापेक्षिक डोपलर शिफ्ट, गुरुत्वाकर्षण रेडशिफ्ट और सौर मंडल की गति को ध्यान में रखता है।
विश्लेषण: emcee पैकेज का उपयोग करके एक मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विश्लेषण किया जाता है। युकावा स्केल लेंथ $\lambda$ को $10^{11} \le \lambda \le 10^{16}$ m की सीमा में स्थिर रखा गया है, जबकि तीव्रता $|\alpha|$ और प्रत्येक तारे के कक्षीय मापदंडों (साथ ही साझा मापदंडों $M_\bullet$ , $R_0$ , और डेटासेट ऑफसेट्स) को हल किया जाता है। 95% कॉन्फिडेंस अपर लिमिट्स को पोस्टीरियर डिस्ट्रीब्यूशन से प्राप्त किया जाता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
प्राथमिक योगदान S-स्टार क्लस्टर के विविध कक्षीय मापदंडों का लाभ उठाकर उन स्केल लेंथ तक युकावा बाधाओं का विस्तार करना है जो एकल-तारा विश्लेषणों के लिए पहले अप्राप्य थे।

S2 पैमानों पर बेहतर बाधाएं: S55, S29, और S38 को शामिल करने से S2 द्वारा जांचे गए रेंज ( $\lambda \sim 10^{13} - 10^{14}$ m) में $|\alpha|$ पर सांख्यिकीय अनिश्चितता कम हो जाती है। सबसे कड़ी सीमा $\lambda = 3 \cdot 10^{13}$ m ( $\sim 200$ AU) पर पाई गई है, जहाँ $|\alpha| < 6 \cdot 10^{-4}$ है। यह पेपर I के S2-केवल विश्लेषण की तुलना में लगभग पांच गुना सुधार है।
S301 के माध्यम से लघु-दूरी की बाधाएं: S301 का समावेश, जिसका पेरीसेंटर S2 के पेरीसेंटर से लगभग दस गुना छोटा है, लघु-दूरी के शासन ( $\lambda \sim 10^{11} - 10^{12}$ m) में बाधाओं की अनुमति देता है। विश्लेषण $\lambda = 10^{12}$ m पर $|\alpha| < 0.004$ और $\lambda = 5 \cdot 10^{11}$ m पर $|\alpha| < 0.006$ प्रदान करता है। ये इन स्केल लेंथ के आसपास एक SMBH के पास अब तक की सबसे कड़ी सीमाएं हैं, जो पिछले अनुमानों में कई क्रमों (orders of magnitude) का सुधार करती हैं।
S29 के माध्यम से दीर्घ-दूरी की बाधाएं: S29 का बड़ा अपोआप्सिस (apoapsis) (लगभग S2 के मुकाबले 8 गुना), $\lambda \gtrsim 10^{15}$ m जैसे बड़े पैमानों पर बाधाओं को सक्षम बनाता है जहाँ युकावा पद पहले केंद्रीय द्रव्यमान के साथ विजातीय था। अध्ययन $\lambda \sim 2 \cdot 10^{15}$ m पर $|\alpha| < 0.1$ पाता है।
संवेदनशीलता की सीमाएं: $\lambda \lesssim 10^{11}$ m के लिए, युकावा पद का घातांकीय क्षीणन (exponential suppression) सार्थक बाधाओं को रोकता है। $\lambda \gg 10^{15}$ m के लिए, पद को $M_\bullet$ के पुन: स्केलिंग में अवशोषित कर लिया जाता है, जिससे बाधाएं कमजोर हो जाती हैं।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि हालांकि तुलनीय स्केल लेंथ पर सौर मंडल परीक्षण अधिक सख्त रहते हैं (जैसे, $\lambda \sim 10^{11}$ m पर $|\alpha| \lesssim 10^{-10}$ ), गैलेक्टिक सेंटर एक अनूठा परीक्षण स्थल प्रदान करता है। यह एक ऐसा वातावरण जांचता है जहाँ विभिन्न सिद्धांतों द्वारा आह्वान किए गए स्क्रीनिंग तंत्र अलग तरह से व्यवहार कर सकते हैं, जो परिभाषा के अनुसार सौर मंडल के प्रयोगों के लिए अप्राप्य है। परिणाम एक सुपरमैसिव ब्लैक होल के आसपास अब तक के सबसे कड़े युकावा सुधारों के बोंड (bounds) हैं, जो विजातीयता (degeneracies) को तोड़ने और जांचे गए पैरामीटर स्पेस का विस्तार करने के लिए मल्टी-स्टार फिटिंग की आवश्यकता को प्रदर्शित करते हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि लघु-दूरी के शासन तक पहुँचने के लिए S301 का समावेश महत्वपूर्ण है, जबकि दीर्घ-दूरी के शासन के लिए S29 आवश्यक है, जो S-स्टार आबादी की पूरक प्रकृति को रेखांकित करता है।

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